工业用反冲洗滤水器设计及日常维护

刘红旺，孙文慧

（天津水科机电有限公司，天津 301900）

1 概述

滤水器产品广泛用于化工、印染、造纸、钢铁等行业的供用水管道上，主要适用于DN500 mm 以下的管道，可代替二次滤网，节约开支；在水电站技术供水、冷却水和主轴密封水系统中，滤水器用于过滤水中较小的杂质，起到防止管道堵塞和保护用水设备等作用，是不可缺少的设备之一。根据《中国小水电行业“十四五”规划及未来发展趋势预测报告2020-2026》分析显示，未来五年小水电市场前景广阔，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》明确提出，要“加快抽水蓄能电站建设和新型储能技术规模化应用”,国家电网公司发布“十四五”期间新增开工2 000 万kW 以上装机、1 000 亿元以上投资规模的抽水蓄能电站。滤水器作为机组水系统中的设备之一，在发电机组安全运行中起着至关重要的作用，直接关系到机组技术供水、冷却水、主轴密封水的水质。反冲洗滤水器在水电站设备改造中发挥着积极的作用，可满足机组各轴承冷却器对水质的要求，提高了机组冷却水供给的可靠性，特别是在汛期机组满负荷、长周期运行，入库流量大，水质差，水系统中水质的保障对机组经济可靠运行和安全发供电至关重要。

2 设计思路

近年来，滤水器市场方面用户需求首选性能优势，同时提出了检修次数少、安装方式多样化、安装便捷、重量轻、安装尺寸小、价格比国外同类型产品低的需求。现今反冲洗过滤器由于反冲洗机构在电机的带动下连续转动，反冲洗机构在每个滤芯的停留的时间很短，造成杂物及微粒不能及时排出，长时间运行情况下容易堵塞滤芯及减少滤芯使用寿命。接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，将接近开关应用到反冲洗滤水器中，可实现滤水器单个滤网的深度冲洗排污，并根据现场的水质情况，设定定点保持的时间和清洗排污时间间隔，使得滤网清洗更干净也可保证供水过程中流量及压力损失在要求范围内。针对以上市场需求及分析，文章主要介绍一种单元式紧凑型反冲洗滤水器的设计，罐体采用圆筒体型，具有结构紧凑、滤网清洗免解体，检修便捷、安装方式多样等特点；采用圆台形滤网、交替布置，反冲洗过程中通过定位冲洗和在排污口增加节流片的方式达到节流降损的效果。

3 内部结构特点及原理

单元式紧凑型反冲洗滤水器由罐体、单元滤芯、排污叉管、接近开关、冲洗电机、电动阀门、测压系统和控制系统等部分组成。滤水器进水方式为下进水、上出水，滤芯采用多筒单元滤网结构，清污采用反冲洗机构中的排污叉管旋转对准1～2 个单元滤网反冲洗，循环逐个反冲洗各个单元滤网筒。主要结构特点：①圆筒体型、结构紧凑、滤网清洗免解体，检修便捷、安装方式多样；②圆台形滤网、交替布置，反冲洗形式，节流降损；③自动控制系统自动诊断、自动定位排污。

滤水器罐体内腔分为上、下两腔，由中间的横隔板隔开，上腔内配有多个过滤芯，为净液腔；下腔内安装有反冲洗排污叉管，为浊液腔。充分利用了过滤空间，显著缩小了过滤器的体积。工作过程中，浊液进入过滤器下腔，经各单元滤芯的下入口进入滤芯内部；大于滤芯孔隙的污物被截住，净液穿过滤芯缝隙到净液腔，最后从出口送出。设计上吸取了国外滤水器结构紧凑、定位冲洗的优点，又根据国内水质及用户需求保留了检修口，以便于较大污物的清理及日常检修。见图1 所示。

图1 单元式紧凑型反冲洗滤水器结构外形图

4 罐体厚度及有效过滤面积计算

4.1 罐体厚度计算

采用DN150 滤水器作计算模型，且模型参数如下：

材质：304 不锈钢

使用温度：常温

工作介质：水

口径：DN150

公称压力：1.6 MPa

筒体内径：300 mm

设计温度下DN150 滤水器厚度计算过程如下：

设计温度下圆筒内压的计算厚度按GB 150.3-2011《压力容器 第3 部分:设计》式（3-1）计算，公式的适用范围为pc≤0.4[σ]tφ。

式中：Di——圆筒或球壳的内直径，mm；

pc——公称压力，MPa；

[σ]t——设计温度下圆筒与球壳材料的许用应力（按GB 150.2），MPa；

δ——计算厚度，mm；

φ——焊接接头系数（按GB 150.1）。

DN150滤水器设计内直径Di为300mm；计算压力pc为1.6 MPa；许用应力[σ]t钢板许用应力和所用钢材为304 不锈钢，[σ]t为137MPa；选择焊接接头系数φ=0.85。

0.4 [σ]tφ=0.4×137×0.85=46.58

通过计算可知：pc<46.58。

综上，GB 150.3-2011 式（3-1）适合计算设计温度下DN150 滤水器厚度，可得出：

设计厚度为计算厚度与腐蚀余量之和。由于容器所承装的介质为水，根据GB150.1-2011 中的4.3.6.2 条款，选择腐蚀余量为1 mm。计算厚度δ=2.075 mm。所以设计厚度p=δ+1=2.075+1=3.075 mm。实际生产中DN150 滤水器采用厚度为6～8 mm 的不锈钢304 钢板，满足滤水器的设计要求。

4.2 滤网有效过滤面积计算

根据NB/T 35035-2014《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》和DL/T 1858-2018《水电厂自动滤水器技术条件》的规定“滤水器内水的过网流速不宜大于0.5 m/s"，而供水管内流速一般为1.0 m/s～3.0 m/s，因此，滤水器内部滤网有效过滤面积为进水口面积的6 倍及以上即可满足规定要求。滤网有效过滤面积计算如下：

S=πDh×k×n

式中：D为滤网内径，h为滤网高度，k为有效过滤比系数，n为滤网数量。

5 控制系统简介

滤水器控制系统由可编程控制器PLC、空气开关、接触器、中间继电器、换开关、指示灯、接线端子等组成。系统以可编程控制器PLC 为核心，具有自诊断功能，可通过现地的控制开关、信号灯等设备对系统进行操作和监视，保证系统正常运行。滤水器工作流程见图2 所示。

图2 滤水器工作流程

控制系统首次送电的相序判断：

（1）通过转动排污阀手柄，将排污阀门转至中间位置。

（2）确认控制箱的“运行方式切换开关”在“停止”位置。

（3）合上控制箱的空气开关，给控制箱送电。

（4）送电后立即观察滤水器排污阀的转向：排污阀向关的方向转动，此为正常；如方向相反的话，应立即断电，更换电源相序。

6 故障排查及日常维护

单元式紧凑型反冲洗滤水器投运前及日常检修维护中应检查：

（1）确认滤水器测量管路连接正确、无泄漏，测压管路旋塞阀开启。

（2）确认滤水器控制箱内部接线正确、绝缘良好。

（3）确认滤水器控制箱与冲洗电机、排污电机及差压开关连接正确。

（4）用手柄转动排污阀，确认其无卡阻现象。

（5）将冲洗电机的“切换手柄”按箭头方向推动，连续转动冲洗电机的手轮，保证连续转动10 圈以上，确认其无卡阻现象。

滤水器常见故障及排除方法见表1 所示。

表1 常见故障及排除方法

7 结语

随着我国工业用水重复利用率的有待提升和十四五期间水利水电行业规划，可看出滤水器市场前景广阔。工业滤水器作为技术供水系统中的一部分，影响着工业技术供水系统运行的稳定与否，将直接影响到系统设备的安全运行。从国家“十三五”到“十四五”水电规划，水电行业滤水器市场需求量有增无减，滤水器产品在工业中的广泛使用节约了大量的水资源，产品的系列化开发及使用为其他行业供水系统中水过滤产品的采购提供多种选择，实现社会效益、经济效益相结合，实现了环境效益的提升。